双相各向异性介质中弹性波传播特征研究

随着地震工程和能源地震勘探的深入发展,人们所遇到的地下介质愈来愈复杂．常规的各向异性介质理论或双相各向同性介质理论难以精确描述含流体的各向异性介质,如裂缝性气藏、含水页岩等．本文以Biot双相各向异性介质理论为基础,利用弹性平面波方程,推导出了任意双相各向异性介质中弹性波的Christoffel方程．根据Christoffel方程,计算并分析了频率对双相横向各向同性介质中弹性波的相速度、衰减、双相振幅比和偏振特征的影响．结果表明,在4类波(快纵波、慢纵波、快横波和慢横波)中,频率对慢纵波影响最大;当耗散很大时,快纵波、快横波和慢横波的流固相振幅比值近似为1．对偏振特征分析的结果表明,在双相各向异性介质中,弹性波的固相位移偏振方向与流相位移偏振方向将不再保持同向或反向,而是呈不同大小的夹角．      

双相介质分界面上弹性波的反射与透射

本文基于Biot理论,推导出Zoeppritz形式的双相介质分界面上弹性波的反射与透射公式,对单相Zoeppritz公式与双相反射系数公式进行了比较,对双相介质含油、水、气不同流体时的反射规律以及孔隙度、渗透率、饱和度等储层参数对纵波反射的影响进行了研究.数值模拟分析表明,双相与单相反射公式的主要差异在于双相介质反射公式中考虑了液相、固液耦合相弹性模量的影响;油砂、水砂、气砂岩的慢P波反射差异明显;快P波反射对孔隙度的变化敏感,饱和度次之,对渗透率和频率的变化不敏感.     

双相各向异性介质中弹性波传播伪谱法数值模拟研究

当地下介质存在各向异性时,在观测坐标系下的弹性参数与自然坐标系下的弹性参数不一定相同．首先,根据势能密度和耗散能密度与坐标轴无关的原理,推导出了双相各向异性介质中观测坐标系下弹性参数与自然坐标系下弹性参数之间的关系;然后,从任意双相各向异性中弹性波波动方程出发,得出了该方程的伪谱法数值解法;最后,通过数值模拟,观测到了存在于双相各向异性介质中的４类波,即快纵波、慢纵波、快横波和慢横波．在双相各向异性介质中,ＳＶ波传播的波前面上仍然存在波面尖角,这些尖角在界面上要发生反射和透射．另外,数值模拟结果中可见转换慢纵波和慢纵波的转换波．      

各向异性双相介质弹性波场褶积算法数值模拟

从各向同性介质中波场数值模拟的褶积微分算子法出发,推导出了各向异性双相介质中波场传播数值计算的褶积新算法.将常见的二阶微分Biot波动方程用等效的一阶速度—应力双曲方程表示,其中未知的波场向量包括固相和流体的速度分量和应力分量,由此对方程的时间项使用交错网格差分方法计算,而对空间项则采用褶积微分算法进行求解.对各向异性双相介质在单层介质模型和双层介质模型中的波场特征进行了研究.研究的结果显示,在两层介质分界面上当地震波产生反射时能观测到两类纵波和横波,并且在衰减系数大的介质里慢纵波很难见到.     

基于BISQ模型双相各向同性介质弹性波传播的频率-空间域有限差分模拟

BISQ模型同时包含了合流体孔隙介质中Biot流动和喷射流动两种重要的力学机制.基于BISQ模型的双相各向同性介质弹性波波动方程是一个复变系数偏微分方程组.本文率先建立了该方程的25点频率-空间域有限差分数值解法,在理想相界和黏滞相界情况下,对Biot流动和喷射流动共同作用下的双相各向同性介质中的波传播进行了数值模拟,通过与仅受Biot流动作用下的波场模拟结果的对比,分析了两种机制耦合作用对弹性波传播的影响.同时,本文也研究了波在双层双相各向同性介质分界面处的反射和透射特征.数值模拟结果表明:在Biot流动和喷射流动耦合作用下,双相介质中传播的快P波的速度和振幅都小于仅考虑Biot流动的双相介质中的快P波,且慢P波的衰减也更为强烈,而S波的波速和振幅则无明显差异.这表明局部喷射流动对P波的衰减和频散具有重要影响,而对S波的影响较小;慢P波的强烈衰减使得其在波场快照中无法被观测到,双层双相介质中的波传播现象类似于单相介质的情况.同时本文的研究结果也表明,频率-空间域有限差分法在基于BISQ模型的双相介质中波传播数值模拟中的正确性和有效性,为开展孔隙弹性介质全波形反演问题的研究提供了研究基础.     

煤储层双相EDA介质的地震波场模拟

基于二维-二分量弹性波方程交错网格高阶有限差分法数值模拟,对各向同性介质模型、高裂隙密度含干裂隙和饱和水裂隙煤层各向异性介质和双相介质的二维层状模型进行了弹性波场数值模拟.结果表明:双相EDA介质中存在第二类纵波(慢纵波).各向异性理论和双相介质理论比单相理论要好,单相理论存在衰减问题.各向异性和双相理论在含气情况下比...     

双相介质中地震波的频率-空间域数值模拟

本文利用优化的25点频率-空间域有限差分算法对基于BISQ模型双相各向同性介质中的地震波进行了数值模拟.通过与经典的Biot模型理论模拟结果进行对比,分析了Biot流动（宏观流体流动）和Squirt流动（微观流体流动）耦合作用对地震波在孔隙介质中传播特性的影响.数值模拟在地震频段进行,结果显示：在理想相界和黏滞相界情况下,Squirt流动机制都比Biot流动机制产生了更大的速度频散和能量衰减.其中,在Biot流动和Squirt流动耦合作用下的快P波的速度和振幅小于仅考虑Biot流动影响下快P波速度和振幅,而且慢P波的衰减也更加强烈.本文还研究了地震波在双层双相各向同性介质分界面处的反射和透射特征,双相介质中波的反射与透射现象类似于单相介质的情况.模拟结果表明,利用优化25点频率-空间域有限差分法模拟双相孔隙介质中的地震波场是可行的,这为开展双相孔隙介质全波形反演问题的研究提供了可能.     

黏弹各向异性介质中波的反射与透射问题分析

黏弹各向异性介质中传播不均匀波，其反射、透射模式不仅与介质分界面两侧速度对比有关，还与品质因子Q的对比有关. 用伪谱技术模拟黏弹各向异性介质分界面上波的反射、透射，并与弹性各向异性介质、黏弹各向同性介质和弹性各向同性介质的模拟结果做比较. 计算平面波的反射、透射系数，分析介质的黏弹性和各向异性对反射、透射系数的影响. 数值模拟了一个三层介质模型中的波场，分析两个分界面上产生的反射波的特征. 黏弹各向异性介质中，qS波比qP波衰减程度大.     

基于Biot理论的双相各向同性介质弹性波交错网格有限差分数值模拟

双相介质模型是一种相对单相介质来讲更加接近于实际地层情况的介质模型,因此,地震波在双相介质中的传播路径和衰减情况比单相介质更具有考察意义.交错网格有限差分法在不增加计算量和存储空间前提下,把速度对时间的奇数次高阶导数转化为应力对空间的导数,将高阶差分和交错网格有机地结合到一起,与一般差分法相比有频散小、精度高、效率高的特点,因此具有一定的优越性.本文首先研究了交错网格的稳定性条件和完全匹配层(Perfectly Matched Layer,简称PML)的边界条件;其次,对双相各向同向介质中弹性波波场进行数值模拟,分析了弹性波传播时受震源主频和耗散系数的影响;最后重点模拟了弹性波在黏滞性的双相介质分界面上的传播规律和衰减情况.研究结果表明:快慢纵波及横波在分界面处发生了反射和透射现象,且存在波型之间的相互转换,这与实际采集的地震资料中情况相符;且运用双相介质进行数值模拟对了解地震波在实际地下传播规律具有重要意义,并且上下层介质都为黏滞型的双层模型更为贴合实际地层情况.     

转换波和非转换波与射线参数p的关系

本文对Aki固体-固体分界面的反射和透射公式进行适当变换,使之成为一组适合不同坐标系下,固体、液体、气体和真空之间所有可能形成的分界面上,入射P、SV和SH波所形成的反射和透射公式,从而把不同边界条件的反射和透射方程统一起来,并且阐明了转换波和非转换波动力学特征的差异.指出:在不同弹性介质分界面上入射平面弹性波,转换波的反射系数和透射系数是射线参数p的奇函数;非转换波的反射系数和透射系数是射线参数p的偶函数.根据奇函数和偶函数的性质可见:垂直入射时不存在转换波.同时也为简化Zoeppricz方程,开展AVO分析打开新思路.     

正交各向异性介质中qP波入射的二阶近似反射系数与透射系数

地震波在各向异性介质中以一个准P波(qP)和两个准S波(qS1和qS2)的形式传播.研究三种波的相速度、群速度以及偏振方向等传播性质能够为各向异性介质中的正反演问题提供有效支撑.具有比横向各向同性(TI)介质更一般对称性的正交各向异性介质通常需要9个独立参数对其进行描述,这使得对传播特征的计算更为复杂.当两个准S波速度相近时具有耦合性,从而令慢度的计算产生奇异性.因此,奇异点(慢度面的鞍点和交叉点)附近的反射与透射(R/T)系数的求解不稳定,会导致波场振幅不准确.本文首次通过结合耦合S波射线理论和基于迭代的各向异性相速度与偏振矢量的高阶近似解,得到了适用于正交各向异性介质以qP波入射所产生的二阶R/T系数的计算方法.与基于一阶近似的结果相比,基于二阶近似的方法提高了qP波R/T系数的精度,能得到一阶耦合近似无法表达的准确的qP-qS转换波的R/T系数解,且方法适用于较强的各向异性介质.     

含两项不混合/单项黏性流体孔隙介质分界面上反透射系数特征研究

弹性孔隙介质分界面上的反透射系数特征,在岩性划分、流体识别、储层边界判识等方面有重要的应用.本文研究上层为含两项不混合黏性流体孔隙介质、下层为含单项黏性流体孔隙介质分界面上的反透射理论.首先根据两种孔隙介质分界面上的能量守恒得到边界条件,再将波函数、位移、应力与应变关系代入边界条件,推导出完全连通孔隙情况下,第一类纵波入射到孔隙介质分界面上的反透射系数方程.通过建立砂岩孔隙介质模型,分别分析不同孔隙流体类型、不同含油饱和度及不同入射角情况下,各类波的反透射系数特征.研究表明,第二、三类纵波反透射系数数值比第一类纵波小多个数量级,且两者对入射角的变化不敏感,但对孔隙流体性质、含油饱和度的变化较敏感,而横波反透射系数特征恰好与此相反;第一类纵波反透射系数特征比较复杂,入射角、孔隙流体的性质及含油饱和度的变化都对其产生影响.不同孔隙流体弹性物性的差异、孔隙介质中含油饱和度的变化及不同入射角引起垂向和切向应力分量的变化都会影响各类波的反透射系数特征,分析这些特征可以为研究储层含油气性提供理论基础.     

热弹性波在流体—固体界面上的反射问题及其基本特征*

本文建立了热弹性流体介质中的波方程,指出了该介质中可能传播的两类波,并建立了热弹性P波的概念和基本特征。此外,本文还研究了热弹性波在液体—固体界面上的反射问题,给出了反射系数、透射系数的表达式以及反射热弹性P波、透射热弹性P波和透射SV型S波的基本特征。     

The effect of inertial coupling on seismic reflection amplitudes

A problem of reflection and transmission of elastic waves at a plane interface between a uniform elastic solid half-space and a porous elastic half-space containing two immiscible fluids is investigated. The theory developed by Lo, Sposito and Majer for porous media containing two immiscible fluids is employed to find out the reflection and transmission coefficients. The incident wave is assumed to propagate through the uniform elastic half-space and two cases are considered. In the first case, a beam of plane longitudinal wave is assumed to be incident and in the second case, a beam of transverse wave is assumed to be incident at the interface. By taking granite as impervious elastic medium and columbia fine sandy loam containing air-water mixture as porous medium, reflection and transmission coefficients are obtained. By neglecting the inertial coupling coefficients, these coefficients are reduced to those obtained by Tomar and Arora using the theory of Tuncay and Corapcioglu. It is found that the inertial coupling parameters significantly affect the phase speeds and the amplitude ratios of the transmitted waves.     

Seismic reflection and transmission coefficients at an air-water interface of saturated porous soil

Based on the modified Biot＇s theory of two-phase porous media, a study was presented on seismic reflection and transmission coefficients at an air-water interface of saturated porous soil media. The major differences between air-saturated soils and water-saturated soils were theoretically discussed, and the theoretical formulas of reflection and transmission coefficients at an air-water interface were derived. The characteristics of propagation and attenuation of elastic waves in air-saturated soils were given and the relations among the frequency, the angle of incidence and the reflection, transmission coefficients were analyzed by using numerical methods. Numerical results show that the propagation characteristic of the wave in air-saturated soils is great different from that in water-saturated soils. The frequency and the angle of incidence can have great influences on the reflection and transmission coefficients at interface. Some new cognition about the wave propagation is obtained and the study suggests that we may carefully pay attention to the influence of air on the dynamic analysis of seismic wave.     

天然气水合物似海底反射层(BSR)AVA特征:双相介质模型

The bottom simulating reflector （BSR） in gas hydrate-bearing sediments is a physical interface which is composed of solid, gas, and liquid and is influenced by temperature and pressure. Deep sea floor sediment is a porous, unconsolidated, fluid saturated media. Therefore, the reflection and transmission coefficients computed by the Zoeppritz equation based on elastic media do not match reality. In this paper, a two-phase media model is applied to study the reflection and transmission at the bottom simulating reflector in order to find an accurate wave propagation energy distribution and the relationship between reflection and transmission and fluid saturation on the BSR. The numerical experiments show that the type I compressional （fast） and shear waves are not sensitive to frequency variation and the velocities change slowly over the whole frequency range. However, type II compressional （slow） waves are more sensitive to frequency variation and the velocities change over a large range. We find that reflection and transmission coefficients change with the amount of hydrate and free gas. Frequency, pore fluid saturation, and incident angle have different impacts on the reflection and transmission coefficients. We can use these characteristics to estimate gas hydrate saturation or detect lithological variations in the gas hydrate-bearing sediments.     

含黏性流体孔隙介质分界面上反透射系数特征研究

地下岩石由岩石骨架和孔隙流体组成,通常流体含黏性.地震波在地下介质中传播时受岩石骨架和黏性流体的影响会呈现出复杂的变化.本文将流、固体位移和应力连续作为边界条件,推导出含黏性流体孔隙介质分界面上反透射系数方程;通过建立上层为饱油、下层为饱盐水的砂岩孔隙介质模型,开展反透射系数特征研究,分别分析不同频率、不同黏滞系数条件下,含黏性流体孔隙介质分界面上反透射系数随入射角的变化.研究表明,孔隙介质分界面上和等效介质分界面上的反透射系数分别随入射角的变化趋势基本一致,说明方程推导和数值计算的正确性;快纵波反透射系数受频率、流体黏性的影响较小,而快横波反透射系数在一定入射角范围内受频率、流体黏性的影响比较大;由于黏性孔隙流体的作用,慢纵波和慢横波的反透射系数受入射角、频率及流体黏性的影响都很大.     

A new numerical technique for simulating the coupled seismic and electromagnetic waves in layered porous media

Chen's technique of computing synthetic seismograms,which decomposes every vector with a set of basis of orthogonality and completeness before applying the Luco-Apsel-Chen(LAC)generalized reflection and transmission coefficients method,is confirmed to be efficient in dealing with elastic waves in multi-layered media and accurate in any frequency range.In this article,we extend Chen's technique to the computation of coupled seismic and electromagnetic(EM)waves in layered porous media.Expanding the involved mechanical and electromagnetic fields by a set of scalar and vector wave-function basis,we obtain the fundamental equations which are subsequently solved by using a recently developed version of the LAC generalized reflection and transmission coefficients method.Our approach and corresponding program is validated by reciprocity tests.We also show a numerical example of a two-layer model with an explosion source.The P-to-EM conversion waves radiated from the interface may have potential application.